超高层建筑上下同步逆作法中一桩一柱的钢管柱应力、位移研究

中建三局建设工程股份有限公司 上海 200129

0 引言

南京青奥工程作为国内第一例300 m以上超高层建筑上下同步施工的成功范例，其施工过程中所取得的监测数据，对于相关理论的验证与完善具有重要的意义。本文通过对该工程塔楼钢管柱沉降及应力监测结果进行整理分析，以详尽的数据说明超高层上下同步逆作法的可行性，推动上下同步逆作法施工在超高层建筑施工领域的应用。

1 南京青奥工程逆作法施工概况

南京青奥中心双塔楼及裙房工程总建筑面积2.87×105m2，地下3层，地上由2栋塔楼及裙房构成；塔1建筑高度249.50 m，58层；塔2建筑高度314.50 m，68层；裙房建筑高度27.5 m，5层。

工程整体采用上下同步逆作法施工，首先完成B1板，其后同步向上向下施工，塔楼施工至17层时，完成地下室底板。

塔楼为核心筒框架结构，核心筒为钢筋混凝土剪力墙，外框为钢结构。外框柱选用钢管混凝土柱，直接插入桩基，形成一桩一柱作为逆作法阶段竖向支承体系，底板封闭后转为筏板-群桩共同受力；核心筒剪力墙在地下室范围内设置钢管混凝土柱芯，并插入桩基，形成密排一桩一柱，在逆作法阶段承担上部剪力墙荷载，底板封闭后，施工剪力墙，钢管混凝土柱作为剪力墙的暗柱继续发挥作用，剪力墙荷载由筏板-群桩共同承担[1,2]。

2 南京青奥一桩一柱钢管柱概况

南京青奥工程外框一桩一柱钢管柱截面尺寸为1 300 mm×1 300 mm～1 600 mm×1 600 mm，核心筒一桩一柱钢管柱截面φ600 mm～φ900 mm，钢管内设置栓钉，钢管内采用水下C60自密实微膨胀混凝土，桩基采用水下C60混凝土，施工时一桩一柱混凝土一体浇筑。桩基入岩5 m，采用复式注浆。钢管柱分布如图1、图2所示。

图1 塔1钢管柱平面布置

图2 塔2钢管柱平面布置

3 钢管柱应力监测结果及数据分析

塔楼区域钢管柱选择56个测点组进行应力监测，编号为1～57（编号10除外）。塔1选择外框角柱4个（1、2、4、5），截面1 600 mm×1 600 mm；外框中柱9个（3、6、7、8、9、11、12、13、14），截面1 300 mm×1 300 mm；核心筒外墙角柱3个（15、25、21），边柱4个（20、18、19、26），中柱5个（16、17、22、23、24），截面φ900 mm；内筒中柱2个（27、28），如图3所示。

塔2选择外框角柱5个（29、30、33、34、36），截面1 400 mm×1 400 mm；外框中柱7个（31、32、35、37、38、39、41），截面1 400 mm×1 400 mm；核心筒外墙角柱4个（42、46、48、52），边柱4个（51、47、44），中柱5个（43、45、49、50、53），截面φ900 mm；内筒边柱2个（54、57），中柱2个（55、56），如图4所示。

图3 塔1钢管柱应力测点布置

图4 塔2钢管柱应力测点布置

1）塔1外框角柱与中柱应力监测结果：经数据整理，求平均值比较后，塔1外框角柱与中柱应力表现为同调增长，外框角柱应力小于中柱，差值为6 MPa左右，并随着施工进行，应力差值不断减小（图5）。

2）塔2外框角柱与中柱应力监测结果：经数据整理，求平均值比较后，塔2外框角柱与中柱应力表现为同调增长，外框角柱应力大于中柱，差值为20 MPa左右（图6）。

图5 塔1外框角柱与中柱应力监测结果

图6 塔2外框角柱与中柱 应力监测结果

比较塔1与塔2外框柱应力监测结果，可以看到外框角柱与中柱应力均为同调增长，应力差值稳定。塔1外框角柱截面大于中柱，应力值小于中柱；塔2外框角柱截面等同中柱，应力值大于中柱。即在同截面条件下，外框角柱应力大于中柱，增大角柱截面，可减小其应力。

3）塔1内筒中柱、边柱、角柱应力监测结果：经数据整理，求取平均值比较后，塔1内筒中柱、边柱、角柱应力表现为同调增长，中柱应力大于边柱应力，差值在20 MPa内，边柱应力大于角柱应力，差值在10 MPa内（图7）。

4）塔2内筒中柱、边柱、角柱应力监测结果：经数据整理，求取平均值比较后，塔2内筒中柱、边柱、角柱应力表现为同调增长，中柱应力与边柱应力等同，中柱边柱应力大于角柱应力，差值为10 MPa左右（图8）。

综上，内筒中柱边柱应力大于角柱应力、中柱、边柱与角柱应力差值在极小范围内波动。应力差值产生于施工初期，随后各钢管柱应力同步增长。

4 钢管柱竖向位移监测结果及数据分析

图7 塔1核心筒角柱与中柱应力监测结果

图8 塔2核心筒角柱与中柱 应力监测结果

塔楼钢管柱共选择48组竖向位移监测点。塔1外框选择8个边柱（1、14、12、11、8、7、5、4），6个中柱（13、10、9、6、3、2）；核心筒外墙选择4个角柱（17、15、22、20），4个边柱（24、21、19、16），2个中柱（23、18），具体如图9所示。

塔2外框选择8个边柱（25、38、36、35、32、31、29、28），6个中柱（26、27、30、33、34、37）；核心筒外墙选择4个角柱（39、41、44、46），4个边柱（42、43、45、48），2个中柱（40、47），具体如图10所示。

图9 塔1钢管柱位移监测点布置

图10 塔2钢管柱位移监测点布置

1）塔1内筒与外框钢管柱沉降监测结果如图11所示。由图中可知，塔1内筒外筒沉降变化具有相同的曲线特征，内外筒沉降差异值为5.691～8.451 mm，沉降差增量随时间逐渐变小，沉降差最终趋于稳定在9 mm范围内。

2）塔2内筒与外框钢管柱沉降监测结果如图12所示。由图中可知，塔2内筒外筒沉降变化具有相同的曲线特征，内筒外筒沉降差值为6.211～8.592 mm，沉降差增量随时间逐渐变小，沉降差最终趋于稳定在9 mm范围内。

图11 塔1内筒与外框钢管柱沉降监测结果

图12 塔2内筒与外框钢管柱 沉降监测结果

3）塔楼内筒与外框钢管柱沉降速率：经数据整理分析，塔楼钢管柱沉降速率在逆作法完成前后，有着不同的表现。底板封闭前，沉降速率较大，底板封闭后，沉降速率明显减小（图13、图14）。

图13 塔1钢管柱沉降增幅

图14 塔2钢管柱沉降增幅

如图所见：塔1内外筒钢管柱沉降速率有着相同的规律。底板封闭前，沉降速率为0.7～1.2 mm/（期·层），底板施工养护期间，沉降速率下降，底板施工完成2个月后，沉降速率稳定自0.2～0.4 mm/（期·层）。底板封闭后沉降速率约为底板封闭前1/3。

塔2内外筒钢管柱沉降速率有着相同的规律。底板封闭前，沉降速率为0.6～1.4 mm/（期·层），底板施工养护期间，沉降速率下降，底板施工完成2个月后，沉降速率稳定自0.2～0.4 mm/（期·层）。底板封闭后沉降速率约为底板封闭前1/3。

4）塔楼内筒与外框钢管柱沉降监测数据总结：综合塔1与塔2，双塔楼内外筒沉降变化具有相同的曲线特征，沉降量随时间不断增大，双塔楼内外筒沉降差异均在5～10 mm范围内，沉降差随时间逐渐增加，增幅逐渐减小，最终沉降差异均在9 mm范围内。根据设计计算，预估沉降量为13 mm。工程实际沉降差异值与设计预估值较为接近，并略小于设计预估值。

内外筒钢管柱沉降速率有着相同的规律。底板封闭前，沉降速率为较大，底板施工养护期间，沉降速率下降，底板施工完成2个月后，沉降速率稳定。底板封闭后沉降速率约为底板封闭前1/3。

5）塔楼外框角柱与中柱沉降差：经数据整理，求平均值比较后，塔1外框角柱与中柱的沉降差异相近，外框角柱略微大于中柱，差异值接近1 mm（图15）。经数据整理，求平均值比较后，塔2外框角柱与中柱的沉降差异极为相近，角柱与中柱的沉降差异不超过0.7 mm（图16）。

图15 塔1外框角柱与中柱沉降差

图16 塔2外框角柱与中柱沉降差

综合塔1与塔2，塔楼外框角柱与中柱沉降基本相同，沉降差异极不明显。

6）塔楼内筒角柱与中柱沉降差：经数据整理，求平均值比较后，塔1内筒角柱、边柱、中柱的沉降基本等同，差异值在±0.7 mm内波动（图17）。经数据整理，求平均值比较后，塔2内筒角柱、边柱、中柱的沉降基本等同，差异值在±1.0 mm内波动，可忽略不计（图18）。

图17 塔1内筒角柱、边柱、中柱沉降比较

18 塔2内筒角柱、边柱、中柱 沉降比较

综上所述，逆作法一桩一柱采用入岩桩、桩身为高强混凝土并采用复式注浆工艺进行承载力增强后，塔楼外框角柱与中柱之间、核心筒角柱、边柱、中柱之间不存在明显差异。外框结构、内筒结构分别作为一个整体，进行同步的整体沉降。

5 结语

根据上文讨论，在超高层上下同步逆作法工程一桩一柱钢管柱而言，存在以下规律[3,4]：

1）塔楼外框角柱与中柱应力均为同调增长，应力差值稳定。

2）塔楼内筒中柱、边柱应力大于角柱应力，中柱、边柱与角柱应力差值在极小范围内波动。应力差值产生于施工初期，随后各钢管柱应力同步增长。

3）青奥双塔楼内外筒沉降变化具有相同的曲线特征，沉降量随时间不断增大，双塔楼内外筒沉降差异均在5～10 mm范围内，沉降差随时间逐渐增加，增幅逐渐减小，最终沉降差异均在9 mm范围内。工程实际沉降差异值与设计预估值较为接近，并略小于设计预估值。

4）内外筒钢管柱沉降速率有着相同的规律。底板封闭前，沉降速率较大；底板施工养护期间，沉降速率下降；底板施工完成2个月后，沉降速率稳定。底板封闭后沉降速率约为底板封闭前1/3。

5）逆作法一桩一柱采用入岩桩、桩身采用高强混凝土并采用复式注浆工艺进行承载力增强后，塔楼外框角柱与中柱之间、核心筒角柱、边柱与中柱之间不存在明显沉降差。外框结构、内筒结构进行同步的整体沉降。